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密封基础知识
密封的分类
密封可分为静密封和动密封两大类。
静密封主要有垫密封、密封胶密封和直接接触密封三大类。
根据工作压力,静密封又可分为中低压静密封和高压静密封。
中低压静密封常用材质较软宽度较宽的垫密封,高压静密封则用材质较硬接触宽度很窄的金属垫片。
动密封可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型。
按密封件与其作相对运动的零部件是否接触,可分为接触式密封和非接触式密封;按密封件和接触位置又可分为圆周密封和端面密封,端面密封又称为机械密封。
动密封中的离心密封和螺旋密封,是借助机器运转时给介质以动力得到密封,故有时称为动力密封。
根据密封结构的类型、密封机理、密封件形状和材料等,密封可按表29.2-1分类。
表29.2-1 密封的分类
密封的造型
对密封的基本要求是密封性好、安全可靠、寿命长,燕应力求结构紧凑,系统简单,制造维修方便,成本低廉,大多数密封件易损件,应保证互换性,实现标准化、系列化。
各种型式的密封,都有其特点和使用范围,设计密封时应先进行分析比较。
表29.2-2列出了各种常用密封方法的特征,表29.2-3为动密封的种类与应用范围。
密封类型
使用条件
耐压性
耐高速性
耐热性
耐寒性
耐久性
用途
备注
往复运动
转动
填料密封
良
良
良
良
良
可
可
泵、水轮机、阀、高压釜
可用缠绕填料、纺织填料或成型填料
O形圈密封
良
可
良
可-良
可-良
可
可
活塞密封
可广泛用作静密封,此时耐久性良好
Y形圈密封
优
×
优
良
良-可
可
可
活塞密封
有时作静密封
机械密封
×
优
优
优
优
优
优
泵、水轮机、高压釜、压气机、搅拌机
可用不同的材料组合,包括金属波纹管密封
油封
(可)
优
可
优
良-可
可
可
轴承密封
或与其他密封并用,防尘
分瓣滑环密封
可
良
优
优
优
优
优
水轮机、汽轮机
多用石墨作滑环
迷宫式密封
优
优
优
优
优
优
优
汽轮机、泵、压气机
往复用时,宜高速,低速不用
浮动环密封
可
良
优
优
优
优
优
泵、压气机
离心密封和螺旋密封
×
优
良
良
良
良
优
泵
磁流体密封
×
优
可
优
良
优
优
压气机
只用于气体介质
表29.2-3 动密封的种类与应用范围>
种类
真空(绝对压力)/MPa
压力(表压)/MPa
工作温度/℃
线速度/m·s-1
泄漏率/m·h-1
使用期限
应用举例
压紧填料密封
1.33×10-3
31.38
-240~600
20
10~1000
-
清水离心泵,柱塞泵、阀杆密封
接触型
成型填料
挤紧型
1.33×10-7
98.07
-45~230
10
0.001~0.1
6个月~1年
液压缸、水压缸
唇型
1.33×10-9
0.1~10
橡胶油封
油封
-
0.29
-30~150
12
3~6个月
轴承封油与防尘
防尘油封
硬填料密封
往复
-
294.20
-45~400
-
3个月~1年
活塞杆密封
旋转
-
6个月~1年
航空发动机主轴承封油
胀圈密封
往复
1.33×10-3
300
12
0.2%~1%吸气容积
3~6个月
汽油机、柴油机、压缩机、液压缸、航空发动机主轴承封油
旋转
0.2
-
机械密封
普通型
1.33×10-7
7.85
-196~400
30
0.1~150
6个月~1年
化工用、电厂用、炼油厂用的离心泵
液膜
-
31.38
-30~150
30~100
100~5000
1年以上
大型泵、透平压缩机
气膜
1.96
不限
不限
-
航空发动机
迷宫密封
1.33×10-5
19.61
600
不限
大
3年以上
蒸汽透平、燃气透平、迷宫活塞压缩机
非接触型
动力密封
离心密封
背叶轮
1.33×10-3
0.25
0~50
30
-
1年以上
矿浆泵
甩油环
油封
-
0
不限
不限
-
非易损件
轴承封油与防尘
防尘
螺旋密封
螺旋密封
1.33×10-3
2.45
-30~100
30
-
取决于轴承寿命
轴承封油、鼓风机封油
螺旋迷宫密封
-
70
锅炉给水泵辅助密封
其他
铁磁流体密封
1.33×10-13
(4.12)
(-50~90)
(70)
-
-
-
全封闭密封
密封设计中的几个问题
3.密封设计中的几个问题
3.1 密封用材料
密封材料应满足密封功能的要求。
由于被密封的介质不同,以及设备的工作条件不同,要求密封材料具有不同的适用性。
对密封材料的要求是:
①材料致密性好,不易泄漏介质;②有适当的机械强度和硬度;③压缩性和回弹性好,永久性变形小;④高温下不软化、不分解,低温下不硬化、不脆裂;⑤抗腐蚀性能好,在酸、碱、油等介质中能长期工作,其体积一硬度变化小,且不粘附在金属表面上;⑥摩擦系数小,耐磨性好;⑦具有与密封面贴全的柔软性;⑧耐老化性好,经久耐用;⑨加工制造方便,价格便宜,取材容易。
显然,任何一种材料要完全满足上述要求是不可能的,但具有优异密封性能的材料能够满足上述大部分要求。
可橡胶是最常用的密封材料,除橡胶外,适合于做密封材料的还有石墨带、聚四氟乙烯以及各种密封胶等,表29.2-4列出密封材料的分类和用途。
表29.2-2常用密封方法的特征
类别
材料
用途
液体
高分子材料
液态密封胶、厌氧胶、热熔型密封胶
纤维
植物纤维
棉、麻、纸、软木
垫片、软填料、防尘密封件、夹布橡胶密封件
动物纤维
毛、毡、皮革
垫片、软填料、成型填料、油封、防尘密封件
纤维
矿物纤维
石棉
垫片、软填料
人造纤维
有机合成纤维、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维
软填料、夹布橡胶密封件
弹塑性体
橡胶
合成橡胶、天然橡胶
垫片、成型填料、油封、软填料、防尘密封件、全封闭密封件
塑料
氟塑料、尼龙、聚乙烯、酚醛塑性、氯化聚醚、聚苯硫醚
垫片、成型填料、油封、软填料、硬填料、活塞环、机械密封、防尘密封件、全封闭密封件
密封胶
液态密封胶、厌氧胶
垫片、导管联接、螺纹密封
无机材料
柔生石墨
天然石墨
垫片、软填料、密封件
碳石墨
焙烧碳、电化石墨
机械密封、硬填料、动力密封、间隙密封
工程陶瓷
氧化铝瓷、滑石瓷、金属陶瓷、氧化硅、硼化铬
金属
有色金属
铜、铝、铅、锌、锡及其合金
垫片、软填料、机械密封、迷宫密封、硬填料、间隙密封
黑色金属
碳钢、铸铁、不锈钢、堆焊合金、喷涂粉末
垫片、硬填料、机械密封、活塞环、间隙密封、防尘密封件、全封闭密封件、成型填料
硬质合金
钨钴硬质合金、钨钴钛硬质合金
机械密封
贵金属
金、银、铟、钽
高真空密封、高压密封、低温密封
3.2加工工艺
良好的加工工艺和成型工艺是保证密封件尺寸精度、表面特性以及提高抗体育馆和耐磨能力的有效手段。
与密封有关的加工工艺包括模压、浸渍、喷涂、烧结、焊接、电镀和表面热处理等。
同一材料,如果处理工艺不同,其特性会有很大的差别。
就密封件制造中最常用的模压工艺来说,如果压出来的成品在形状、尺寸等方面误差很大,分型面上存在飞边、毛刺,对于密封都是很不利的。
以橡胶O形圈为例,它是靠给定的压缩变形量来保证密封的,如果由于尺寸精度差而保证不了必要的压缩变形量,就会出现泄漏。
此外,由于O形圈是以预拉伸状态安装于密封部位,当运动摩擦发热时,O形圈不是膨胀,而是收缩(拉伸状态下的橡胶受热收缩,称为焦耳效应),这也可能使工作时的压缩变形量减小而发生泄漏。
因此,设计时必须严格控制尺寸精度,并应考虑到各种影响因素,例如,与密封件相接触的零件的尺寸精度、表面粗糙度及纹理方向等。
3.3 摩擦、磨损与润滑
摩擦和磨损是接触型动密封中必然存在的问题。
接触型动密封的密封件与被密封件相接触,由于有相对运动而产生摩擦,导致发热和零件表面的磨损,这是引起泄漏及密封件损坏的主要原因。
因此滑润液压与润滑剂的选择就成了密封设计中必须慎重考虑的问题。
一般都选择自润滑方式,例如浸渍各种润滑剂的填料、浸渍石墨以及采用摩擦系数小的聚四乙烯等。
当介质具有润滑性时,则用介质本身润滑。
成型填料密封
1橡胶密封件
表29.6-1为常用橡胶密封件的类型和适用条件。
表29.6-1 橡胶密封件的类型及适用条件
名称
图形
适用条件
表号及标准号
O形胶密封圈
工作介质:
空气、水、矿物油等p<35MPa,υ<6m/s t=-40~200℃
表29.6-3
GB/T3452.1-1992
旋转轴唇形密封圈(油封)
工作介质:
矿物油、润滑油等p<0.03MPa,υ<4m/s t=-30~80℃
表29.6-14~16
GB/T13871-1992
Y形橡胶密封圈
工作介质:
空气、矿物油p和υ见表29.6-17 t=-40~80℃
表29.6-18~19
GB/T10708.1-1989
活塞高低唇Y形橡胶密封圈
工作介质:
空气、矿物油p<25MPa,υ<0.5m/s t=-40~80℃
表29.6-20
GB/T10708.1-1989
活塞杆高低唇Y形橡胶密封圈
工作介质:
空气、矿物油p<25MPa,υ<0.5m/s t=-20~80℃
表29.6-21
GB/T10708.1-1989
蕾形夹织物橡胶密封圈
工作介质:
空气、矿物油p和υ见表29.6-17 t=-40~80℃
表29.6-20~21
GB/T10708.1-1989
V形夹织物橡胶组合密封圈
工作介质:
液体
p和υ见表29.6-17
t=-40~80℃
表29.6-22~23
GB/T10708.1-1989
鼓形夹织物橡胶密封圈
工作介质:
空气、矿物油p<70MPa,υ<0.5m/s t=-40~80℃
表29.6-24
GB/T10708.2-1989
山形橡胶密封圈
工作介质:
空气、矿物油p<35MPa,υ<0.5m/s t=-40~80℃
表29.6-24
GB/T10708.2-1989
橡胶防尘密封圈
防尘
表29.8-10~12
GB/T10708.3-1989
毡封油圈
防尘,防油的油封,适用于线速度υ<5m/s
表29.8-946
JB/ZQ4606-1986
1.1 O形橡胶密封圈
O形橡胶密封圈有良好的密封性,它是一种压缩性密封圈,同时又具有自封能力,所以使用范围很宽,密封压力从1.33×10-5Pa到400MPa的高压(动密封可达35MPa)。
如果材料选择适当,温度范围为-60~200℃。
O形圈结果简单,成本低廉,使用方便,密封性不受运动方向的影响,因此,得到了广泛应用。
O形圈的材料和使用范围见表29.6-2。
1.1.1国标
O形橡胶密封圈国标规定的尺寸系列见表29.6-3。
表29.6-2O形密封圈材料的使用范围
材料
适用介质
使用温度/℃
备注
运动用
静止用
丁腈橡胶
矿物油、汽油、苯
80
-30~120
氯丁橡胶
空气、水、氧
80
-40~120
运动用应注意
丁基橡胶
动、植物油、弱酸、碱
80
-30~110
永久变形大,不适用矿物油
丁苯橡胶
碱、动、植物油、水、空气
80
-30~100
不适用矿物油
天然橡胶
水、弱酸、弱碱
60
-30~90
不适用矿物油
硅橡胶
高、低温油、矿物油、动、植物油、弱酸、弱碱
-60~260
-60~260
不适用蒸汽、运动部件避免使用
氯磺化聚乙烯
高温油、氧、臭氧
100
-10~150
运动部位避免使用
聚氨酯橡胶
水、油
60
-30~80
耐磨、但避免高速使用
氟橡胶
热油、蒸汽、空气,无机酸、卤素类溶剂
150
-20~200
聚四氟乙烯
酸、碱、各种溶剂
-100~260
不适用运动部位
表29.6-3O形橡胶密封圈的尺寸与公差(摘自GB/T3452.1-1992参照ISO3601/1—1998)
内径
截面直径d2
d1
极限偏差
1.8±0.08
2.65±0.09
3.55±0.10
5.3±0.13
7.0±0.15
1.80
±0.13
*
2.00
*
2.24
*
2.50
*
2.80
*
3.15
*
3.55
*
3.75
*
4.00
*
4.50
*
4.87
*
5.00
*
5.15
*
5.30
*
5.60
*
6.00
*
6.30
±0.14
*
6.70
*
6.90
*
7.10
*
7.50
*
8.00
*
8.50
*
8.75
*
9.00
*
9.50
*
10.0
*
10.6
±0.17
*
*
11.2
*
*
11.8
*
*
12.5
*
*
13.2
*
*
14.0
*
*
15.0
*
*
16.0
*
*
17.0
*
*
18.0
*
*
*
19.0
±0.22
*
*
*
20.0
*
*
*
21.2
*
*
*
22.4
*
*
*
23.6
*
*
*
25.0
*
*
*
25.8
*
*
*
26.5
*
*
*
28.0
*
*
*
30.0
*
*
*
31.5
±0.30
*
*
32.5
*
*
*
33.5
*
*
34.5
*
*
*
35.5
*
*
36.5
*
*
*
37.5
*
*
38.7
*
*
*
40.0
*
*
*
41.2
±0.36
*
*
*
42.5
*
*
*
*
43.7
*
*
*
45.0
*
*
*
46.2
*
*
*
*
47.5
*
*
*
48.7
*
*
*
50.0
*
*
*
*
51.5
±0.44
*
*
*
53.0
*
*
*
54.5
*
*
*
56.0
*
*
*
58.0
*
*
*
60.0
*
*
*
61.5
*
*
*
63.0
*
*
*
65.0
±0.53
*
*
67.0
*
*
*
69.0
*
*
71.0
*
*
*
73.0
*
*
75.0
*
*
*
77.5
*
*
80.0
*
*
*
82.5
±0.65
*
*
85.0
*
*
*
87.5
*
*
90.0
*
*
*
92.5
*
*
95.0
*
*
*
97.5
*
*
100
*
*
*
103
*
*
106
*
*
*
109
*
*
*
112
*
*
*
*
115
*
*
*
118
*
*
*
*
122
±0.90
*
*
*
125
*
*
*
*
128
*
*
*
132
*
*
*
*
136
*
*
*
140
*
*
*
*
145
*
*
*
150
*
*
*
*
155
*
*
*
160
*
*
*
165
*
*
*
170
*
*
*
175
*
*
*
180
*
*
*
185
±1.20
*
*
*
190
*
*
*
195
*
*
*
200
*
*
*
206
*
*
212
*
*
218
*
*
224
*
*
230
*
*
236
*
*
243
*
*
250
*
*
258
±1.60
*
*
265
*
*
272
*
*
280
*
*
290
*
*
300
±1.60
*
*
307
*
*
315
*
*
325
±2.10
*
*
335
*
*
345
*
*
355
*
*
365
*
*
375
*
*
387
*
*
400
*
*
412
±2.60
*
425
*
437
*
450
*
462
*
475
*
487
*
500
*
515
±3.20
*
530
*
545
*
560
*
580
*
600
*
615
*
630
*
650
±3.80
*
670
*
聚四氟乙烯密封圈
PTFE(聚四氟乙烯)复合材料是含有PTFE的两种或两种以上不同性质或不同相物质共混、共聚或组合在一起构成的性能比其组成材料优异的一类新型复合材料。
通过材料复合,既发挥了PTFE的优异特性,又克服了PTFE的冷流蠕变和不耐磨等缺点,使其具有减摩、耐磨、自润滑、耐蚀、耐热、耐老化、耐压缩、抗蠕变、尺寸稳定和线膨胀系数低等优点,并提高了导热性和硬度,降低了成本。
国内外已用这种新型复合材料制成特殊工况用的密封件,比如高压、高温、高速、高真空、易燃易爆、有毒、强腐蚀性介质等,这些密封件广泛用于石油化工、化肥、农药、航空、航天及核工业上,常用作往复轴向运动的密封,如活塞和活塞杆的密封。
既可用于干摩擦无油润滑的场合,又可在条件允许的情况下实行油润滑。
为增强PTFE复合材料密封件的弹性,必须与弹性体、压紧环、凸面座、凹面座、各种形式的金属弹簧进行结构组合,形成弹性致动密封。
最常用的是金属弹簧致动,这是将螺旋形的平弹簧或圆金属丝弹簧置于密封圈内通过机械加工或模压制成的环形空间内,以保证密封件能产生高度的弹性和磨损自动补偿作用,从而形成优异的动密封。
2.1J形和L形聚四氟乙烯密封圈
J和L形密封圈常用PTFE添加石墨、玻璃纤维、青铜、二硫化钼和各种金属氧化物,以改善并增强PTFE的各种性能。
其特点是摩擦力小,能承受干摩擦;唇口和轴表面的磨损率低;温度适用范围为-50~200℃;耐油耐蚀;密封性优良。
例如用PTFE添加玻璃纤维等制作的L形密封圈用于液压和气动活塞上。
若添加15%玻璃纤维,就可使热膨胀系数下降1/2。
L形密封圈可作单向或双向运动的活塞密封。
J形密封圈用作活塞杆的密封,一般是将其安装在壳体上作为固定式密封,用来密封往复运动轴。
密封圈的底夹在壳体的凹槽中,由压盖支承。
唇端总是朝向正压侧,唇的内径与轴相接触,以便利用自紧密封原理实现密封,唇可以沿轴表面自由运动。
2.2U形密封圈
以PTFE为基料再添加填料所制作的U形密封,可以安装在运动的活塞上,又可以作为固定密封安装在壳体上(图29.6-4)起密封作用,而不需要调整填料压盖。
U形密封是平衡型密封,也就是在内径和外径上都密封,并配有支承环来保护密封(图29.6-4a),以防止在压力作用下被压扁或扭曲。
U形圈装在密封槽中,压环和唇之间间隙1.6~3mm,即至少为唇缘厚度的25%,使唇部不得接触压环,以便系统流体自由进入,从而可以利用自紧原理进行密封。
压环的垂直腹板上的横向孔可以保证U形开口内的压力平衡。
图b所示是用一个橡胶O形圈来增加静态和动态的接触力,以改进初始密封效果。
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